Minerálna izolácia v systéme ETICS

Aktuálne smerovanie slovenskej legislatívy v oblasti šetrenia energií sa prejavuje okrem iného aj postupným sprísňovaním tepelnotechnických parametrov pre obvodové steny budov. Keď pred pár rokmi bola postačujúca hrúbka tepelnej izolácie v konštrukciách obvodových stien budov do 100 mm, dnes nie je neobvyklé použitie izolantu s hrúbkou 200 až 300 mm. Jedným zo spôsobov aplikácie tepelnej izolácie je vonkajší tepelnoizolačný kontaktný systém, známy pod skratkou ETICS. V tomto prípade je tepelný izolant mechanicky kotvený a lepený k nosnej odvodovej stene a následne sa na jeho povrch aplikujú fasádne úpravy v podobe výstužnej vrstvy a silikátovej omietky. Zo statického hľadiska tu dochádza k  vytvoreniu akejsi konzoly, v ktorej sa samozrejme najviac bude uplatňovať šmykové napätie. Avšak pri danej hrúbke tepelnej izolácie môže dochádzať k deformáciám, ktoré by mohli viesť k znehodnoteniu celého systému ETICS.

Základnými mechanicko-fyzikálnymi parametrami z hľadiska medzného stavu únosnosti (MSÚ) reprezentujúcimi minerálno-izolačné materiály, určené pre systém ETICS, sú medzná pevnosť v ťahu kolmo na rovinu dosky (TR), medzná pevnosť v tlaku kolmo na rovinu dosky (CS), medzná pevnosť v šmyku (SS). Okrem samotnej únosnosti je však nevyhnutné zamerať sa aj ja deformáciu systému, čiže medzný stav použiteľnosti (MSP). Pri nadmernej deformácií by mohlo dochádzať k vzniku trhlín v povrchovej úprave systému. To by mohlo mať za následok zatekanie a postupné zlyhanie zatepľovacieho systému.

 

Samotná deformácia postupne ovplyvňuje aj únosnosť systému v tom prípade, ak by bola vyššia ako je lineárna oblasť správania sa materiálu. Preto je potrebné okrem medzných pevnosti materiálu poznať aj k nim prislúchajúce stredné moduly pružnosti v ťahu (Etm), tlaku (Ecm) a šmyku (Gm). Samotná znalosť materiálových veličín je len polovica možnosti aplikácie minerálnej izolácie v kontaktnom zatepľovacom systéme. Dôležite je poznať aj okrajové podmienky, ktorým bude systém ETICS počas svojej životnosti vystavený.

 

Z uvedených dôvodov sa Asociácia výrobcov minerálnych izolácií (AVMI) rozhodla vykonať súbory meraní fyzikálno-mechanických vlastností výrobkov svojich členov, ktoré sú určené pre systém ETICS a určiť minimálne požadované fyzikálno-mechanické vlastnosti, ktoré musia výrobky spĺňať, aby bolo možné použiť systém ETICS s týmito výrobkami v podmienkach, ktoré sú charakteristické pre Slovenskú republiku.

Vlastnosti minerálnych izolácií pre systém ETICS

Výroba a distribúcia minerálnych izolácií sa riadi výrobkovou normou STN EN 13 162, v ktorej sú uvedené parametre s povinnosťou deklarácie v závislosti od preferencie použitia/zabudovania daného výrobku. V prípade výrobkov pre použitie v systéme ETICS sú okrem bežných parametrov povinní deklarovať hodnotu medznej pevnosti v ťahu kolmo na vlákna, známu ako TR (kPa) a hodnotu medznej pevnosti v tlaku, označovanej ako CS(10) (kPa). Okrem toho, táto norma odkazuje aj na normové postupy a spôsoby merania jednotlivých fyzikálno-mechanických parametrov, ktoré nie sú podmienené povinnosťou deklarácie.

Meranie ťahových parametrov ako sú sú medzná pevnosť v ťahu kolmo na rovinu dosky (TR) sa uskutočňuje podľa eurokódu

STN EN 1607:2013. Norma neopisuje možnosť stanovenia stredného modulu pružnosti v ťahu (Etm), ale pri použití meracieho zariadenia monitorujúceho kontinuálne zaťaženie a deformáciu je možné vytvoriť pracovný diagram a následne určiť aj modul pružnosti pre tento typ namáhania.

Pre určenie pevnosti a modulu pružnosti v tlaku sa využíva štandardizovaný postup podľa STN EN 826:2013-09. Skúška je zameraná na deformáciu vzorky stlačením pri skutočnej hrúbke výrobku. Ak je hodnota maximálneho napätia zodpovedná stlačeniu menej ako 10 % označí sa ako pevnosť v tlaku pri príslušnom stlačení, ak sa však pred dosiahnutím 10 % stlačenia neobjavia žiadne porušenia, vypočíta sa napätie v tlaku pri 10 % stlačení, a táto hodnota sa uvedie ako napätie v tlaku pri 10 % stlačení, označuje sa ako CS(10).

 

Pri meraní šmykových parametrov podľa normového postupu však narážame na problém. Normový postup merania šmykových parametrov prostredníctvom odporúčanej metódy zdvojeným telesom na skutočnej hrúbke výrobku podľa normy STN EN 12090 je značne ovplyvnený diagonálnymi ťahmi, ktoré znižujú merané hodnoty. Nejedná sa teda o čisto šmykové namáhanie. Rovnaké zistenie ohľadom vplyvu diagonálnych ťahov a ohybového momentu potvrdzuje aj správa Výskumného ústavu pozemních staveb v Prahe (správa Z-18-018), ktorá sa zaoberá overeniu metodiky stanovenia šmykových vlastností tepelnoizolačných výrobkov pre väčšie hrúbky ako 50 mm. Na túto skutočnosť upozorňuje aj samotný Eurokód STN EN 12090, v ktorom je uvedené:

POZNÁMKA. - Skúškami opísanými v tejto norme sa nestanovuje správanie pri namáhaní prostým šmykom, ale merajú sa účinky dvoch proti sebe pôsobiacich rovnobežných síl na hlavné povrchy skúšobného telesa. (cit. STN EN 12090:2013)

Z toho dôvodu je potrebné si uvedomiť, že šmykové parametre namerané touto metódou budú nižšie než skutočné šmykové parametre daného výrobku pri namáhaní prostým šmykom. V nasledujúcej tabuľke sú zobrazené priemerné hodnoty meraných parametrov, ktoré sú potrebné pre následnú statickú analýzu MSÚ a MSP.

Z výsledkov meraní, ktoré boli uskutočnené v akreditovanom laboratóriu Technického a zkušebního ústavu stavebního Praha, s.p. - pobočka Brno, môžeme vidieť, že priemerné namerané hodnoty parametrov, ktoré podliehajú deklarácií, prevyšujú deklarované hodnoty uvádzané výrobcami minerálnych izolácií. Analyzované výrobky sú v niektorých prípadoch na strane bezpečnosti aj o viac ako 50 %.

Skúška pretvorenia ETICS

Okrem samotného skúšania výrobkov uskutočnila AVMI taktiež veľkorozmerovú skúšku celého systému ETICS podľa eurokódu STN EN 13495:2020. Skúška bola vykonaná akreditovaným laboratóriom technického a skúšobného ústavu TSÚS Bratislava. Cieľom tejto skúšky bolo overiť únosnosť systému ETICS s použitím tepelnej izolácie na báze minerálnych vláken, ktorá dosahuje jedny z najnižších deklarovaných fyzikálno-mechanických vlastností, tzv. kritický reprezentant (pri skúške bola použitá doska MW-EN 13162-T5-CS(10)30-TR10 hrúbky 200 mm).

Skúška pozostáva z konštantného ťahu kolmo na rovinu vzorky s napätím 2 kPa (ktoré simuluje sanie vetra) a postupným ťahom vzorky rýchlosťou 1 mm/min. v smere rovnobežnom s rovinou vzorky. Na základe tejto skúšky bolo možné konštatovať, že systém ETICS s najmenej únosnou doskou  na báze minerálnej vlny pri hrúbke systému 200 mm s rezervou spĺňa požiadavky pre bezpečnosť a stabilitu systému.

Minimálne fyzikálno-mechanické parametre MW pre SR

Ako bolo vyššie spomenuté, znalosť fyzikálno-mechanických parametrov výrobkov je len polovica možnosti uplatnenia výrobku v stavebníctve. Druhou stranou sú okrajové podmienky zaťažení, ktoré budú na materiál vplývať, a ktorým musí odolávať počas celej životnosti stavby. Preto si AVMI nechala vypracovať statický a súdnoznalecký posudok, ktoré túto problematiku podrobne analyzovali.

Variabilita zaťaženia, ktorému musí systém ETICS odolávať, závisí od stáleho zaťaženia (vlastnej hmotnosti systému ETICS) a premenného zaťaženia (pôsobenie vetra). Preto je nevyhnutné tieto premenné zaťaženia čo najviac zovšeobecniť.


Vzhľadom na charakter systému ETICS s povrchovou úpravou omietkou, bude variabilita zaťaženia od vlastnej tiaže závislá predovšetkým na hrúbke a objemovej hmotnosti tepelného izolantu. Objemové hmotnosti tepelných izolácií na báze minerálnych vláken sa pohybujú v rozmedzí od približne 70 až 100 kg/. Taktiež hrúbka aplikovanej tepelnej izolácie môže dosahovať značné množstvo variácií. Pre zovšeobecnenie zaťaženia vplyvom vlastnej hmotnosti izolantu bola uvažovaná maximálna možná objemová hmotnosť

150 kg/, ktorá vychádza z vyjadrenia najväčších výrobcov minerálnych izolácií na trhu. Variabilita hrúbky tepelnej izolácie bola pri analýze zachovaná a bola rozdelená na 4 intervaly od 100 mm do 300 mm (s krokom 50 mm).

Skladba omietkovej úpravy ETICS, je vo všeobecnosti konštantná a líši sa len malými odchýlkami, ktoré udávajú technické listy jednotlivých výrobcov omietok a armovacích vrstiev. Pre určenie stáleho zaťaženia omietkou a armovacou vrstvou bola vykonaná analýza týchto výrobkov, ktoré sú určené pre systém ETICS s minerálnou izoláciou. Na základe tejto analýzy, ktorá vychádza z maximálnych aplikačných možností omietok, ktoré predpisujú výrobcovia, je možné uvažovať stále zaťaženie od fasádne úpravy približne 0,115 kN/m² (cca 12 kg/m²).

Premenné zaťaženie od pôsobenia vetra závisí od kategórie terénu, ktorá určuje jej drsnosť, fundamentálnej rýchlosti vetra a samozrejme od výšky budovy. Eurokód určuje 5 kategórií terénnu od prímorských oblastí (kategória 0) až po husto zastavané oblasti s vysokými budovami (kategória IV). Pre zovšeobecnenie zaťaženia s cieľom definovať štandardné podmienky pre Slovenskú republiku, bolo v tejto analýze uvažované s kategóriou terénu III. Kategória terénu III je podľa eurokódu definovaná ako:

„Plochy pravidelne pokryté vegetáciou alebo budovami, prekážkami, ktoré sú od seba vzdialené najviac 20-násobok ich výšky (ako sú dediny, terén predmestia, trvalý les).“

Jej definícia pokrýva najčastejšie sa vyskytujúce podmienky novej výstavby, alebo významnej obnovy už postavených budov. V mnohých prípadoch by bolo možné uvažovať aj s kategóriou terénu IV, avšak analýza na základe stanovenia zaťaženia vetrom, kde uvažujeme s kategóriou terénu III je na strane bezpečnosti návrhu (vyššie hodnoty pôsobenia vetra).

Maximálna výška budovy, po ktorú bola vykonaná analýza minimálnych fyzikálno-mechanických vlastnosti minerálnej izolácie pre systém ETICS, bola 50 m nad povrchom terénu. Táto hodnota vychádza z rozboru panelovej výstavby na Slovensku, čo je najväčší fond budov s významnou obnovou, kde sa aplikuje systém ETICS. Najväčšiu výšku, cca 40 m, dosahovali panelové sústavy MB – vežový dom a PS 82 PP – vežový dom. Aby bola pokrytá anomália terénu, poprípade úpravy atiky, bola k tejto výške prirátaná ešte hodnota 10 m. Ak vezmeme do úvahy nadmorskú výšku okresných miest Slovenskej republiky a prirátame k nej maximálnu uvažovanú výšku budovy 50 m, je možné uvažovať s maximálnou nadmorskou výškou výstavby 700 m n. m. Pre lokality Slovenskej republiky sú podľa národnej prílohy eurokódu STN EN 1991-1-4/NA do tejto nadmorskej výšky definované dve štandardné hodnoty fundamentálnej rýchlosti vetra (26 m/s a 24 m/s). Znova bolo zaťaženie vetrom stanovené podľa vyššej fundamentálnej rýchlosti vetra, aby boli pokryté všetky štandardné situácie.

Na základe vyššie spomenutých analýz bolo zaťaženie vetra, pre stanovenie minimálnych fyzikálno-mechanických vlastností, určené pre 5 výškových intervalov a 4 fasádne oblasti podľa nasledujúcej tabuľky:

Pre numerickú analýzu sa použil výpočtový program SOFiSTiK na báze metódy konečných prvkov. Analyzovaný bol fragment systému ETICS štandardných rozmerov, ako je tepelnoizolačná doska na báze minerálnej izolácie určená pre systém ETICS (1000 mm × 600 mm). Zo skúšky dosiek z minerálnej vlny a skúšky odolnosti ETICS spôsobenej šmykovým zaťažením pri špecifickom pretvorení bolo možné skontrolovať zhody numerického modelu a skutočných výsledkov (kalibrácia modelu).  Analýza spočívala v iterácií fyzikálno-mechanických vlastností minerálnej izolácie tak, aby pre jednotlivé zaťaženia boli splnené stanovené pozorované parametre. Iterácia týchto parametrov prebiehala, kým neboli splnené všetky požiadavky. Niektoré z požiadaviek vplývali na tuhosť a teda na hodnoty modulov pružnosti, niektoré na medzné namáhanie prvkov.

 

Deformácie boli dovolené len v lineárnej oblasti správania sa materiálu. Lineárne správanie materiálu muselo byť splnené pri všetkých zadaných kombináciách zaťaženia. Taktiež bolo sledované napätie 35 kPa na povrchu tepelnoizolačnej dosky, ktoré by mohlo spôsobiť maximálnu povolenú trhlinu v armovacej vrstve.

 

Na základe analýzy jednotlivých fragmentov dosiek z minerálnej vlny sú pre bezpečnosť konštrukcie zatepľovacieho systému ako celku najvýznamnejšie parametre medzných napätí v ťahu a tlaku. Ak sa pri posúdení zameriame primárne na tieto hodnoty, z hľadiska bezpečnosti bude konštrukcia takmer vo všetkých prípadoch vyhovujúca. Deformácia izolačnej dosky z hľadiska namáhania vetrom ovplyvňuje poškodenie vonkajšej omietky len minimálne a pre jej porušenie, prípadne vznik trhlín v omietke by bola nutná tak veľká deformácia, že by dávno došlo k zlyhaniu samotného materiálu minerálnej vlny z dôvodu porušenia na ťah, tlak alebo šmyk. Výsledkom analýzy je súbor týchto parametrov, ktoré sú závislé od výšky budovy, spôsobu kotvenia a samotnej hrúbky tepelného izolantu.

 

Pri numerickej analýze sa neuvažovalo s predpätím v rozperných kotvách a ani so spolupôsobením systému prostredníctvom povrchovej úpravy systému ETICS (armovacia vrstva a omietka) čo prispieva k celkovej stabilite systému a spôsobuje lepšiu redistribúciu napätia. Tieto fakty tak prispievajú k bezpečnosti návrhu, pretože ETICS s minerálnou izoláciou je v skutočnosti tuhší, ako posudzovaný model.

Porovnanie numerickej analýzy a uskutočnených meraní fyzikálno-mechanických parametrov

Aby sme mohli porovnávať minimálne výpočtové hodnoty fyzikálno-mechanických parametrov výrobkov z minerálnej vlny pre systém ETICS s meranými hodnotami, je nevyhnutné porovnať samotné meracie postupy posudzovaných parametrov s modelom numerickej analýzy. Na základe uskutočnených meraní bolo možné vytvoriť numerické modely týchto meraní a na prostredníctvom nameraných fyzikálno-mechanických parametrov vzoriek vytvoriť virtuálny materiál minerálnej izolácie, špecifický pre konkrétnu vzorku. Pomocou numerického výpočtu bolo možné overiť veľkosť meranej a výpočtovej deformácie danej vzorky. Simuláciou boli analyzované dva body pre každú vzorku, t.j. stred lineárnej oblasti deformácie (um1) a koniec lineárnej oblasti (um2).

Pri porovnaní vzorky a simulácie pri namáhaní ťahom dosahujeme odchýlky výpočtovej a meranej deformácie priemerne pre prvú polohu (um1 = 1 mm)  12 % (vzorka A a B). Pri vzorke C boli odchýlky v tomto bode priemerne len 3 %. Pri druhej polohe (meraná deformácia um2 = 2 mm) bola vypočítaná hodnota deformácie takmer totožná s meranou hodnotou. Na základe tohto porovnania môžeme usúdiť, že namerané fyzikálno-mechanické parametre pre namáhanie v ťahu podľa Eurokódu STN EN 1607:2013 je možné využiť pri numerickej analýze metódou konečných prvkov. Merané a vypočítané hodnoty dosahujú dobrú zhodu. Odchýlky, ktoré vznikli pri meraní a simulácií nadobúdajú kladné hodnoty, to znamená, že výpočtová hodnota je vyššia ako meraná. Posúdenie deformácie na základe výpočtu by bolo s použitím týchto parametrov na strane bezpečnosti, ale s dobrou zhodu s reálnym stavom.

 

Priemerná odchýlka Δu1 pri namáhaní tlakom v bode um1 dosahovala hodnotu - 10 %. Záporná hodnota znamená, že výpočtová deformácie je menšia než nameraná. To môže byť spôsobené metódou merania, podľa ktorej sa vzorka najprv predťaží napätím 250 Pa, čo má za následok nelineárny nábeh merania. Práve v bode um1 dochádza k prepadu napätia a zvýšenej deformácie. Výpočtová deformácia na okraji lineárnej oblasti namáhania materiálu um2 dosahuje priemernú odchýlku Δu2 len 0,1 %. Na základe porovnania merania a simulácie môžeme považovať fyzikálno-mechanické parametre stanovené podľa normy STN EN 826:2013-09 za vyhovujúce pre numerickú analýzu, avšak v oblastí veľmi malých deformácií (cca 10 % z hrúbky materiálu) je potrebné uvažovať s približne 10 % poddimenzovaním reálnej deformácie. To znamená, že nameraný modul pružnosti podľa tejto normy, je potrebné znížiť približne o 10 %.

Najmenšia zhodu reálnej deformácie a numerickej analýze bola dosiahnutá pri porovnaní merania šmyku na skutočnej hrúbke tepelnej izolácie prostredníctvom zdvojeného telesa (normový postup podľa STN EN 12090). Pri porovnaní merania spolu s numerickou analýzou dochádza k vysokým hodnotám odchýlok (v niektorých prípadoch až 89 %). Vo všetkých prípadoch odchýlka dosahuje kladné hodnoty, čiže výpočtová deformácií je vyššia ako meraná. To je zapríčinené, tým, že daným normovým postupom sa nezískavajú hodnoty čistého šmyku, ale vo výraznej miere sa uplatňuje priečne ťahové napätie, ktoré ich znižuje.

Preto boli vykonané modifikácie merania šmykových parametrov s cieľom určiť najvhodnejší postup, ktorý by korešpondoval čo najviac s čistým šmykom uplatniteľným v numerickej analýze. Modifikácie spočívali v zmene rozmerov skúšobnej vzorky s cieľom eliminovať ťahové napätie. Prvým krokom bola zmena veľkosti výšky vzorky z 200 mm na 600 mm (vzorka C-6), druhá modifikácia spočívala v zmene hrúbky vzorky z 200 mm na 60 mm, jej vyrezaním z povrchu výrobku (vzorky C-7, C-8 a C-9) a z jadra výrobku (vzorky C-10, C-11 a C-12). Výrez z povrchu a jadra bol uskutočnený preto, aby bolo možné vystihnúť nehomogenitu fyzikálno-mechanických parametrov výrobku v závislosti od polohy vzorky po hrúbke výrobku.

Najvyššia zhoda merania a numerickej analýzy bola dosiahnutá pri vzorkách z výrezu, bez ohľadu či sa jednalo o sledovanú deformáciu um1 alebo um2. V prípade výrezu z povrchu bola priemerná odchýlka okolo 15 %, pri výreze z jadra približne 12 %. Odchýlka vždy dosahovala kladnú hodnotu. Pri recipročnom dosadení meraných parametrov do normovej skúšky (normové rozmery) bola odchýlka merania a výpočtu v posudzovanej deformácii Δu1 = 29,7 % a Δu2 = 22,3 %).

Výsledky numerickej analýzy, pri posúdení deformácie v šmyku sú značne na strane bezpečnosti aj pri použití šmykových parametrov nameraných na vzorke 60 mm z výrezu. Navyše je eliminovaný aj efekt akého si trhnutia vzorky, ktorý sa prejavuje pri meraniach na veľkých hrúbkach (vzorky C-1, C-2 a C-6).

 

Na základe meraní normovými postupmi možno konštatovať, že fyzikálno-mechanické parametre meraných výrobkov prevyšujú ich deklarované hodnoty medzného napätia v ťahu TR tlaku CS a SS. Prostredníctvom porovnania simulácie MKP jednotlivých meraní s uskutočnenými meraniami, je môžeme usúdiť, že namerané parametre sú využiteľné pri numerickej analýze v prípade namáhania ťahom a tlakom. Pri namáhaní tlakom normovou metódou je pre simuláciu vhodné znížiť nameranú hodnotu modulu pružnosti o približne 10 %.V prípade namáhania šmykom sa z hľadiska simulácie najadekvátnejšie javí meranie na výreze z výrobku, s hrúbkou vzorky 60 mm.

Uplatnenie minerálnej izolácie v systéme ETICS

Porovnaním výsledkov meraní fyzikálno-mechanických vlastností minerálnej izolácie s požadovanými minimálnymi hodnotami podľa statického posudku je zrejmé, že pri štandardnom type kotvenia, kde počet kotiev narastá po výške budovy, je možné použiť materiál, ktorý spĺňa požiadavku na medzné napätie v ťahu 10 kPa až do výšky 40 m nad terénom (obr. 1) a do výšky 10 m nad terénom je možné uplatniť výrobok, ktorý spĺňa požiadavku na medzné napätie v ťahu 7,5 kPa (obr. 2).

 

Podobné výškové delenie odporúča aj Technický a zkušební ústav stavební Praha, pobočka Brno (TZÚS), ktorý podrobil komplexnému testovaniu rôzne výrobky z minerálnej izolácie pre systém ETICS. Všetky výrobky mali hrúbku 200 mm s deklarovanou hodnotou TR 10 kPa. Rovnako ako v prípade statického posudku a znaleckého posudku, uvažoval TZÚS s kombináciami predpokladaných zaťažení, ktoré by na systém ETICS mohli pôsobiť s ohľadom na vplyv deformácií na povrchu systému. Na základe všetkých zistených skutočností TZÚS navrhol minimálne požadované medzné hodnoty mechanických vlastností pre jednotlivé úrovne aplikácie systému ETISC ako sú uvedené v nasledujúcej tabuľke.

Obr. 1 Minimálny počet kotiev (z hľadiska únosnosti MW) pri použití MW s medznou pevnosťou v ťahu TR 10

Dôležité je samozrejme dodŕžať minimálnu plochu lepidla, podľa príslušných schém. Vo všeobecnosti platí, čím vyššia bude lepená plocha, tým budú potrebné nižšie fyzikálno-mechanické parametre. To potvrdzuje aj súzdnoznalecký posudok ZP 35/2020, ktorý vychádzal zo systému ETICS, ktorý je celoplošne lepený. Dôležité je však podotknúť, že pre správnu funkciu a stabilitu systému je nevyhnutné klásť vysoké nároky na kvalitu jeho zhotovenia a postupovať taktiež podľa aktuálnych noriem a technologických predpisov.

Obr. 2 Minimálny počet kotiev (z hľadiska únosnosti MW) pri použití MW s medznou pevnosťou v ťahu TR 7,5